3D打印銅尾礦砂混凝土的物理力學(xué)性能分析

呂 娜 李 笑 梁霄龍 原 雪 方光秀 宋 兵

(1.新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453006; 2.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院,河南 焦作 454000;3.中國(guó)建筑第五工程局有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410004;4.吉林化工學(xué)院工程管理專業(yè),吉林 吉林 132022;5.延邊大學(xué)工學(xué)院,吉林 延吉 133002)

增材制造技術(shù)通常被稱為3D打印技術(shù),用于在連續(xù)層中直接從數(shù)字模型制造3D結(jié)構(gòu)。美國(guó)測(cè)試與材料協(xié)會(huì)將增材制造技術(shù)定義為連接材料以從3D模型數(shù)據(jù)中制造物體的過程,增材制造技術(shù)最初開發(fā)于20世紀(jì)80年代,已成功應(yīng)用于航空航天、汽車制造、生物醫(yī)學(xué)和食品等行業(yè),目前,增材制造技術(shù)已成為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)中不可或缺的一部分[1-3]。3D打印混凝土因其無模板施工、較少的勞動(dòng)力需求以及實(shí)現(xiàn)建造藝術(shù)復(fù)雜結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì),已成為建筑行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的顛覆性技術(shù),3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)越來越受歡迎,與將混凝土澆筑到模板中的傳統(tǒng)方法不同,3D打印混凝土將結(jié)合數(shù)字技術(shù)和材料技術(shù),在不使用昂貴模板的情況下進(jìn)行自由形式施工,使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的自由度更高[4-6]。趙宇等[7]發(fā)現(xiàn)碳納米管(MWCNTs)是一種性能優(yōu)良的納米材料,將其摻入3D打印混凝土中不僅會(huì)對(duì)基體內(nèi)部微裂紋的生成和擴(kuò)展以及3D打印混凝土的宏觀力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響,而且會(huì)影響新拌3D打印混凝土的流變性能。孫曉燕等[8]深入研究3D打印混凝土永久模板疊合梁受力性能后認(rèn)為,打印模板上部層間缺陷是影響疊合梁抗彎承載能力及破壞失效的關(guān)鍵部位,3D打印混凝土層條界面幾何尺寸影響疊合梁應(yīng)力分布。

銅尾礦是銅礦石選礦過程中產(chǎn)生的固體廢棄物,銅尾礦又被稱作銅尾砂,是天然銅礦石經(jīng)粉碎、選別后產(chǎn)生的粉狀或砂礫狀固體廢棄物。2019年中國(guó)固廢處理行業(yè)的數(shù)據(jù)顯示,我國(guó)每年銅尾礦排放量已達(dá)2.24億t。銅尾礦堆積不僅占用大量農(nóng)田和林地,而且尾礦中所含的重金屬以及尾礦表面含有的浮選藥劑會(huì)對(duì)尾礦庫(kù)周邊生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害,尾礦的大量堆積也會(huì)使得尾礦庫(kù)不堪重負(fù),易引發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[9-12]。王德法等[13]為解決天然砂石量逐漸降低、固體廢棄物日益增加的難題,以銅尾礦為研究對(duì)象,用銅尾礦材料替代地聚物混凝土中天然骨料,對(duì)銅尾礦地聚物混凝土展開研究,結(jié)果表明銅尾礦材料替代地聚物混凝土中的天然骨料具有可行性,銅尾礦地聚物混凝土性能的影響因素排序?yàn)?堿激發(fā)劑模數(shù)>細(xì)骨料>粗骨料。朱街祿等[14]研究了銅尾礦的物理、化學(xué)性質(zhì),對(duì)銅尾礦在水泥基材料中的應(yīng)用進(jìn)行了分析與展望。銅尾礦含有豐富的礦物成分,可作為礦化劑、鐵質(zhì)原料、代替黏土生產(chǎn)水泥熟料,銅尾礦可降低水泥熟料燒成溫度,提高熟料質(zhì)量和產(chǎn)量。銅尾礦含有與火山灰質(zhì)材料相似的礦物物相,用作混合材可降低水泥生產(chǎn)成本,銅尾礦作為細(xì)集料或摻合料用于混凝土,具有較好的強(qiáng)度特性和耐久性能。利用銅尾礦制備加氣混凝土、蒸壓灰砂磚、蒸養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)磚等新型墻體材料,可節(jié)約大量能源與資源。

本文選取銅尾礦砂作為細(xì)骨料替代部分天然河沙,制備了3D打印銅尾礦砂細(xì)骨料混凝土,銅尾礦砂的替代率分別為0%、10%、20%、30%,對(duì)其坍落度、凝結(jié)時(shí)間、靜態(tài)屈服應(yīng)力、抗壓強(qiáng)度、層間黏結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試,分析了力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥:P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,28 d抗壓強(qiáng)度為49.5 MPa,燒失量為25%。粉煤灰:F類Ⅱ級(jí)粉煤灰,其28 d活性指數(shù)為80%。硅灰:比表面積為23.4 m2/g。銅尾礦砂:表觀密度為2 814 kg/m3,堆積密度為1 145 kg/m3,含泥量為3.8%。試驗(yàn)物料主要化學(xué)成分見表1。河沙:中沙,細(xì)度模數(shù)為2.75,含泥量為0.7%,堆積密度為1 495 kg/m3。乳膠粉:白色粉末,固含量大于98%。

1.2 配合比

3D打印銅尾礦砂混凝土配合比如表2所示,其中細(xì)骨料為銅尾礦砂和天然河沙,銅尾礦砂替代率分別為0%、10%、20%、30%。

1.3 測(cè)試方法

3D打印噴頭直徑為15 mm,打印速度為5 cm/s,3D打印銅尾礦砂細(xì)骨料混凝土的凝結(jié)時(shí)間測(cè)試參照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15],采用貫入阻力儀進(jìn)行測(cè)定,坍落度測(cè)試依據(jù)GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》[16]規(guī)定,使用混凝土流變儀對(duì)3D打印銅尾礦砂細(xì)骨料混凝土進(jìn)行流變性能測(cè)試,將3D打印混凝土視為賓漢姆流體[17]。靜態(tài)屈服應(yīng)力測(cè)試對(duì)3D打印混凝土持續(xù)剪切60 s,測(cè)得其靜態(tài)屈服應(yīng)力。

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[18],測(cè)量其養(yǎng)護(hù)28 d的抗壓強(qiáng)度,抗壓強(qiáng)度采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件,根據(jù)GB 50367—2006《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]進(jìn)行界面黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)試,3D打印銅尾礦砂細(xì)骨料混凝土的體積密度和表觀孔隙率測(cè)試的試件尺寸為40 mm×40 mm×40 mm,首先將試件烘干12 h,測(cè)定試件的質(zhì)量M1。將試件在真空壓力容器中浸入水中飽和24 h,并測(cè)量飽和樣品的質(zhì)量M2。然后將飽和試件測(cè)定懸浮質(zhì)量M3。體積密度V和表觀孔隙率P由式(1)和式(2)計(jì)算獲得,最后通過掃描電鏡進(jìn)行微觀性能測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 坍落度和凝結(jié)時(shí)間

表3為3D打印銅尾礦細(xì)骨料混凝土的坍落度和凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果。用銅尾礦部分替代細(xì)骨料制備的混凝土具有較高的形狀保持能力和良好的泵送性能。銅尾礦摻量的增加降低了3D打印銅尾礦細(xì)骨料混凝土的坍落度,與C1組相比,C2、C3和C4組的坍落度分別減小了4.3%、8.0%和11.7%。此外,銅尾礦砂具有高吸水特性,因此坍落度隨著混凝土中銅尾礦砂摻量的增加而降低。另一方面,隨著銅尾礦砂摻量的增加,3D打印混凝土的凝結(jié)時(shí)間增加,C2、C3和C4組的初凝和終凝時(shí)間均高于C1組,C2、C3和C4組混凝土的初凝時(shí)間較C1組分別增加了5.5%、11.0%和14.7%,終凝時(shí)間較C1組分別增加了3.3%、7.2%和11.2%,凝結(jié)時(shí)間的增加不會(huì)顯著影響3D打印銅尾礦細(xì)骨料混凝土的可建造性。

表3 3D打印銅尾礦砂細(xì)骨料混凝土的坍落度和凝結(jié)時(shí)間Table 3 Slump and setting time of 3D printed copper tailings sand fine aggregate concrete

2.2 靜態(tài)屈服應(yīng)力

圖1為3D打印銅尾礦細(xì)骨料混凝土的靜態(tài)屈服應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線?？梢钥闯?銅尾礦細(xì)骨料混凝土的靜態(tài)屈服應(yīng)力隨著銅尾礦砂摻量的增加而增加。靜態(tài)屈服應(yīng)力被定義為從靜止?fàn)顟B(tài)開始混凝土流動(dòng)所需的臨界應(yīng)力,并且靜態(tài)屈服應(yīng)力值與漿料中的游離水含量、顆粒的絮凝和反應(yīng)過程有關(guān)。這里,盡管銅尾礦砂的摻加使混凝土的凝結(jié)時(shí)間增加,反應(yīng)速率隨著銅尾礦砂摻量的增加而降低,但由于銅尾礦砂的不規(guī)則形狀,吸收了混凝土中的游離水,減少了混凝土中的游離水會(huì)加速顆粒之間的內(nèi)部摩擦,并增加剪切應(yīng)力和黏度,因此靜態(tài)屈服應(yīng)力隨著銅尾礦砂摻量的增加而增加[19]。

圖1 3D打印銅尾礦砂細(xì)骨料混凝土的靜態(tài)屈服應(yīng)力Fig.1 Static yield stress of 3D printed copper tailings sand fine aggregate concrete

2.3 抗壓強(qiáng)度

圖2為3D打印銅尾礦砂細(xì)骨料混凝土的打印方向,圖3為養(yǎng)護(hù)28 d后3D打印銅尾礦砂細(xì)骨料混凝土在橫向、縱向、垂直方向和澆鑄成型試件的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。銅尾礦砂摻量為10%的C2組的抗壓強(qiáng)度最高,與C1組相比,C2組的抗壓強(qiáng)度在橫向、縱向和垂直方向上分別提高了6.4%、6.4%和13.3%。銅尾礦砂摻量超過10%時(shí),3D打印銅尾礦砂細(xì)骨料混凝土試件的抗壓強(qiáng)度降低。C3組澆鑄成型試件的抗壓強(qiáng)度較C1組降低了4.8%。同時(shí),與C1組相比,3D打印的C4試件在縱向、橫向和垂直方向上的抗壓強(qiáng)度分別降低了9.7%、8.4%和10.7%,抗壓強(qiáng)度降低的原因是銅尾礦砂的水化反應(yīng)速率較低。因此,當(dāng)銅尾礦砂摻量超過10%時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度隨著銅尾礦砂摻量的增加而降低。從圖3還可以發(fā)現(xiàn),在所有測(cè)試方向上,澆鑄成型試件的抗壓強(qiáng)度均高于3D打印試件的抗壓強(qiáng)度,這可能與打印噴嘴在打印過程中形成的孔隙有關(guān),因此3D打印試件的抗壓強(qiáng)度低于澆鑄成型試件。此外,3D打印銅尾礦砂細(xì)骨料混凝土具有各向異性,其中的抗壓強(qiáng)度值隨測(cè)試方向的變化而變化。除澆鑄成型試件外,縱向方向上的抗壓強(qiáng)度值在所有混凝土中最高,橫向方向上的抗壓強(qiáng)度值在所有混凝土中最低,縱向方向與打印方向上的一致性決定了其較高的抗壓強(qiáng)度特性,由于在擠出過程的壓力引起的在打印方向上的密實(shí)度較高。相比之下,橫向方向上的抗壓強(qiáng)度最低,可能與相鄰打印層之間存在孔隙率或孔隙增加的薄弱層有關(guān)[20]。

圖2 3D打印銅尾礦砂細(xì)骨料混凝土的打印方向Fig.2 Printing direction of 3D printed copper tailings sand fine aggregate concrete

圖3 3D打印銅尾礦砂細(xì)骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度Fig.3 Compressive strength of 3D printed copper tailings sand fine aggregate concrete

2.4 黏結(jié)強(qiáng)度

3D打印銅尾礦砂細(xì)骨料混凝土中的層間區(qū)域較為薄弱,導(dǎo)致在橫向方向上的黏結(jié)強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度較低。銅尾礦砂摻量對(duì)3D打印混凝土層間黏結(jié)強(qiáng)度的影響測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 3D打印銅尾礦砂細(xì)骨料混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度Fig.4 Bond strength of 3D printed copper tailings sand fine aggregate concrete

從圖4可以看出,銅尾礦砂摻量為10%的C2組的黏結(jié)強(qiáng)度最高,層間黏結(jié)強(qiáng)度隨著銅尾礦砂摻量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),該趨勢(shì)與抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果一致,與C1組試件相比,C2組的層間黏結(jié)強(qiáng)度增加了21%,C3和C4組分別降低了6.5%和17.7%。

2.5 體積密度與表觀孔隙率

圖5為3D打印銅尾礦砂細(xì)骨料混凝土試件的體積密度和表觀孔隙率。通常,3D打印混凝土的表觀孔隙率值大于傳統(tǒng)模鑄試件,這是由于在逐層打印過程中,在打印層之間引入了不可避免的孔隙。研究發(fā)現(xiàn),3D打印混凝土由大量的大孔和不規(guī)則形狀的大孔隙組成。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,表觀孔隙率的變化趨勢(shì)與抗壓強(qiáng)度規(guī)律相似,其中C2組具有最低的表觀孔隙率,C4組具有最高的表觀孔隙率。與對(duì)照組C1相比,C2組的表觀孔隙率降低了21.7%,C3組的表觀孔隙率略低于C1組,而C4組的表觀孔隙率較C1組增加了14.0%。這表明摻加少量的銅尾礦砂表現(xiàn)出微填充效應(yīng),并降低了3D打印試件的表觀孔隙率。相比之下,過量摻加銅尾礦砂會(huì)使3D打印試件的孔隙率增加,3D打印銅尾礦砂細(xì)骨料混凝土表觀孔隙率的變化規(guī)律與體積密度成反比。

圖5 3D打印銅尾礦砂細(xì)骨料混凝土的體積密度和表觀孔隙率Fig.5 Volume density and apparent porosity of 3D printed copper tailings sand fine aggregate concrete

2.6 SEM微觀測(cè)試分析

3D打印銅尾礦砂細(xì)骨料混凝土的SEM微觀照片如圖6所示。C1和C2組顯示出較為致密的微觀結(jié)構(gòu),隨著銅尾礦砂摻量的提高,可以從C3和C4組中觀察到一些微裂紋和破碎的形態(tài),這可能與3D打印銅尾礦砂細(xì)骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度和層間黏結(jié)強(qiáng)度的降低有關(guān)。

3 結(jié) 論

(1)用銅尾礦部分替代細(xì)骨料制備的混凝土具有較高的形狀保持能力和良好的泵送性能,坍落度隨著混凝土中銅尾礦砂摻量的增加而降低。另一方面,隨著銅尾礦砂摻量的增加,3D打印混凝土的凝結(jié)時(shí)間增加,凝結(jié)時(shí)間的增加不會(huì)顯著影響3D打印銅尾礦細(xì)骨料混凝土的可建造性。銅尾礦細(xì)骨料混凝土的靜態(tài)屈服應(yīng)力隨著銅尾礦砂摻量的增加而增加。

(2)銅尾礦砂摻量為10%時(shí),3D打印銅尾礦砂細(xì)骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度最高,銅尾礦砂摻量超過10%時(shí),3D打印銅尾礦砂細(xì)骨料混凝土試件的抗壓強(qiáng)度降低。3D打印銅尾礦砂細(xì)骨料混凝土具有各向異性,其中的抗壓強(qiáng)度值隨測(cè)試方向的變化而變化?？v向方向上的抗壓強(qiáng)度值在所有混凝土中最高,橫向方向上的抗壓強(qiáng)度值在所有混凝土中最低。

(3)銅尾礦砂摻量為10%時(shí),3D打印銅尾礦砂細(xì)骨料混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度最高,層間黏結(jié)強(qiáng)度隨著銅尾礦砂摻量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。3D打印銅尾礦砂細(xì)骨料混凝土表觀孔隙率的變化規(guī)律與體積密度成反比。隨著銅尾礦砂摻量的提高,3D打印混凝土中出現(xiàn)了微裂紋和破碎形態(tài)。